Sản xuất bionanopartikel palladium từ dung dịch Pd(II) acid và nước tùy thuộc vào chất xúc tác đã qua sử dụng bằng cách sử dụng vi khuẩn acidophilic giảm Fe(III)

Springer Science and Business Media LLC - Tập 21 - Trang 1091-1100 - 2017
Naoko Okibe1, Daisuke Nakayama1, Takahiro Matsumoto1
1Department of Earth Resources Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University, Fukuoka, Japan

Tóm tắt

Các vi khuẩn dị dưỡng giảm Fe(III) Acidocella aromatica PFBCT và Acidiphilium cryptum SJH đã được sử dụng để sản xuất bionanopartikel palladium (Pd) thông qua một phản ứng vi sinh vật đơn giản 1 bước. Phản ứng phụ thuộc monosaccharide (hoặc NADH nội bào) dẫn đến sự hình thành hạt nhân enzym Pd(0) trong và ngoài tế bào. Các phản ứng phụ thuộc axit formic diễn ra qua giai đoạn hình thành hạt nhân Pd(0) chậm đầu tiên và giai đoạn giảm Pd(II) tự xúc tác tiếp theo, bất kể sự hiện diện hay khả năng sống của tế bào. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào hoạt động (với đầy đủ hoạt động enzym và protein màng) ở nồng độ axit formic thấp (5 mM) là rất quan trọng để cho phép đủ thời gian cho việc hấp phụ Pd(II) và sự hình thành hạt nhân enzym Pd(0) sau đó, điều này đã làm cho việc sản xuất các bionanopartikel Pd(0) mịn, dày đặc và phân tán tốt trở nên khả thi. Sự khác biệt về kích thước, mật độ và vị trí của các bionanopartikel Pd(0) thu được giữa hai loại vi khuẩn dưới mỗi điều kiện thử nghiệm đã gợi ý về hoạt động và địa điểm khác nhau của các enzym và protein “vận chuyển Pd(II)” trên màng, chịu trách nhiệm cho sự hình thành hạt nhân Pd(0). Mặc dù có tác động ức chế của chất tạo thành lixiviant và ion kim loại hòa tan, các bionanopartikel Pd(0) đã được hình thành một cách hiệu quả từ các tế bào Ac. aromatica hoạt động từ cả dung dịch Pd(II) tổng hợp acid và từ các chất thải chất xúc tác đã qua sử dụng với kích thước trung vị tương đương 18–19 nm và hoạt động xúc tác tương đương.

Từ khóa

#bionanoparticles #palladium #Acidocella aromatica #Acidiphilium cryptum #enzymatic nucleation #acid solutions

Tài liệu tham khảo

Bunge M, Sobjerg LS, Rotaru AE, Gauthier D, Lindhardt AT, Hause G, Finster K, Kingshott P, Skrydstrup T, Meyer RL (2010) Formation of palladium(0) nanoparticles at microbial surfaces. Biotechnol Bioeng 107:206–215 Colombo C, Oates CJ, Monhemius AJ, Plant JA (2008) Complexation of platinum, palladium and rhodium with inorganic ligands in the environment. Geochem Explor Environ Anal 8:1–11 Creamer NJ, Baxter-Plant VS, Henderson J, Potter M, Macaskie LE (2006) Palladium and gold removal and recovery from precious metal solutions and electronic scrap leachates by Desulfovibrio desulfuricans. Biotechnol Lett 28:1475–1484 Creamer NJ, Mikheenko IP, Yong P, Deplanche K, Sanyahumbi D, Wood J, Pollmann K, Merroun M, Selenska-Pobell S, Macaskie LE (2007) Novel supported Pd hydrogenation bionanocatalyst for hybrid homogeneous/heterogeneous catalysis. Catal Today 128:80–87 De Corte S, Hennebel T, De Gusseme B, Verstraete W, Boon N (2012) Bio-palladium: from metal recovery to catalytic applications. Microb Biotechnol 5:5–17 De Vargas I, Macaskie LE, Guibal E (2004) Biosorption of palladium and platinum by sulfate-reducing bacteria. J Chem Technol Biotechnol 79:49–56 De Windt W, Aelterman P, Verstraete W (2005) Bioreductive deposition of palladium (0) nanoparticles on Shewanella oneidensis with catalytic activity towards reductive dechlorination of polychlorinated biphenyls. Environ Microbiol 7:314–325 De Windt W, Boon N, Van den Bulcke J, Rubberecht L, Prata F, Mast J, Hennebel T, Verstraete W (2006) Biological control of the size and reactivity of catalytic Pd(0) produced by Shewanella oneidensis. Antonie Van Leeuwenhoek 90:377–389 Deplanche K, Caldelari I, Mikheenko IP, Sargent F, Macaskie LE (2010) Involvement of hydrogenases in the formation of highly catalytic Pd(0) nanoparticles by bioreduction of Pd(II) using Escherichia coli mutant strains. Microbiol SGM 156:2630–2640 Deplanche K, Bennett JA, Mikheenko IP, Omajali J, Wells AS, Meadows RE, Wood J, Macaskie LE (2014) Catalytic activity of biomass-supported Pd nanoparticles: influence of the biological component in catalytic efficacy and potential application in 'green' synthesis of fine chemicals and pharmaceuticals. Appl Catal B 147:651–665 Foulkes JM, Deplanche K, Sargent F, Macaskie LE, Lloyd JR (2016) A novel aerobic mechanism for reductive palladium biomineralization and recovery by Escherichia coli. Geomicrobiol J 33:230–236 Hennebel T, Van Nevel S, Verschuere S, De Corte S, De Gusseme B, Cuvelier C, Fitts JP, Van der Lelie D, Boon N, Verstraete W (2011) Palladium nanoparticles produced by fermentatively cultivated bacteria as catalyst for diatrizoate removal with biogenic hydrogen. Appl Microbiol Biotechnol 91:1435–1445 Johnson DB, Bridge TAM (2002) Reduction of ferric iron by acidophilic heterotrophic bacteria: evidence for constitutive and inducible enzyme systems in Acidiphilium spp. J Appl Microbiol 92:315–321 Johnson DB, Roberto FF (1997) Heterotrophic acidophiles and their roles in the bioleaching of sulfide minerals. In: Rawlings DE (ed) Biomining: theory, microbes and industrial processes. Springer, New York, pp 259–280 Jones RM, Hedrich S, Johnson DB (2013) Acidocella aromatica sp nov.: an acidophilic heterotrophic alphaproteobacterium with unusual phenotypic traits. Extremophiles 17:841–850 Lloyd JR, Yong P, Macaskie LE (1998) Enzymatic recovery of elemental palladium by using sulfate-reducing bacteria. Appl Environ Microbiol 64:4607–4609 Mabbett AN, Sanyahumbi D, Yong P, Macaskie LE (2006) Biorecovered precious metals from industrial wastes: single-step conversion of a mixed metal liquid waste to a bioinorganic catalyst with environmental application. Environ Sci Technol 40:1015–1021 Masaki Y, Hirajima T, Sasaki K, Okibe N (2015) Bioreduction and immobilization of hexavalent chromium by the extremely acidophilic Fe(III)-reducing bacterium Acidocella aromatica strain PFBC. Extremophiles 19:495–503 Mikheenko IP, Rousset M, Dementin S, Macaskie LE (2008) Bioaccumulation of palladium by Desulfovibrio fructosivorans wild-type and hydrogenase-deficient strains. Appl Environ Microbiol 74:6144–6146 Mizuno K, Miyatani G (1976) Successive spectrophotometric determination of palladium and platinum. Bull Chem Soc Jpn 49:2479–2480 Noroozifar M, Khorasani-Motlagh M (2003) Specific extraction of chromium as tetrabutylammonium-chromate and spectrophotometric determination by diphenylcarbazide: speciation of chromium in effluent streams. Anal Sci 19:705–708 Omajali JB, Mikheenko IP, Merroun ML, Wood J, Macaskie LE (2015) Characterization of intracellular palladium nanoparticles synthesized by Desulfovibrio desulfuricans and Bacillus benzeovorans. J Nanopart Res 17:264 Pentsak EO, Kashin AS, Polynski MV, Kvashnina KO, Glatzel P, Ananikov VP (2015) Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems. Chem Sci 6:3302–3313 Wang ZL, Yan JM, Wang HL, Ping Y, Jiang Q (2012) Pd/C synthesized with citric acid: an efficient catalyst for hydrogen generation from formic acid/sodium formate. Sci Rep 2:1–6 Yates MD, Cusick RD, Logan BE (2013) Extracellular palladium nanoparticle production using Geobacter sulfurreducens. Acs Sustain Chem Eng 1:1165–1171 Yong P, Rowson NA, Farr JPG, Harris IR, Macaskie LE (2002) Bioreduction and biocrystallization of palladium by Desulfovibrio desulfuricans NCIMB 8307. Biotechnol Bioeng 80:369–379 Zhang XL, Yan S, Tyagi RD, Surampalli RY (2011) Synthesis of nanoparticles by microorganisms and their application in enhancing microbiological reaction rates. Chemosphere 82:489–494